(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおける電池スタックの水素排出部に接続されるインレットと、同じく電池スタックの水素導入部に接続されるアウトレットと、前記インレットとアウトレットとの間に位置する生成水分離部と、その生成水分離部の下方に位置し、生成水を排出するための排水口と、その排水口を開閉するための排水バルブとを有する気液分離器において、
前記排水バルブより低い位置に前記排水口に連なる貯水部を設けるとともに、その貯水部に貯留された生成水を排出するための排出手段を設け、
前記貯水部内に、前記インレットからの水素の噴出圧力により貯水部の内底面から引き上げられて、貯水部内の生成水を前記排水口に向かって送り込むシートを設けたことを特徴とする燃料電池システムの気液分離器。
【請求項２】
前記排出手段は、貯水部の上部を覆う覆い部を設けることにより前記貯水部の上部に設けられ、前記インレット側の位置から排水口に連なる気体通路であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの気液分離器。
【請求項３】
前記排出手段は、貯水部の内底面に形成され、前記インレット側の位置から排水口に向かって上昇傾斜する上昇傾斜面であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システムの気液分離器。
【請求項４】
前記排出手段は、貯水部の内底面に形成され、インレット側の位置から前記上昇傾斜面に向かって下降傾斜する下降傾斜面であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの気液分離器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムにおいて、電池スタックから排出された未反応の余剰水素と生成水とを分離するための気液分離器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池システムにおいては、電池スタックの水素排出口と水素導入口との間に気液分離器が接続されている。そして、電池スタックから排出される未反応の余剰の水素と生成水とが気液分離器により分離され、未反応の水素が電池スタックに回収されて再使用されるとともに、生成水が外部に排出されるようになっている。
【０００３】
従来、この種の燃料電池システムに用いられる気液分離器としては、例えば特許文献１に開示されるような構成が提案されている。すなわち、図９に示すように、この気液分離器１１１は、イオン交換樹脂１１２とその下方に位置するタンク１１３とを有している。そして、燃料電池システムの稼働にともない、電池スタックの水素排出口から排出される水素と生成水とが循環通路１１４を介して気液分離器１１１内に導入され、その水素と生成水とがイオン交換樹脂１１２において分離されて、水素は循環通路１１５を介して再使用のために電池スタックに送出される。また、分離された前記生成水はタンク１１３に収容され、排水バルブ１１６の開放により外部に排出される。
【特許文献１】特開２００６−４９１００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、この特許文献１の気液分離器においては、前記のように、タンク１１３に貯留された生成水を排出するために、排水バルブ１１６はタンク１１３の下部に設けられている。ところで、燃料電池システムが停止されると、気液分離器１１１のケースの内壁やイオン交換樹脂１１２の内部に残存する生成水が滴下して、前記タンク１１３内に貯留される。そして、冬季等の低温環境下における燃料電池システムの停止状態においては、タンク１１３内の生成水が凍結するおそれがある。このような場合は、燃料電池システムを起動しても、前記凍結により排水バルブ１１６を開閉動作させることができず、生成水の排出が不可能になるおそれがある。場合によっては、生成水の凍結により、排水バルブ１１６が破損するおそれもある。
【０００５】
この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的は、低温環境下における燃料電池システムの停止状態において、ケースの内壁面やイオン交換樹脂から滴下した生成水が凍結しても、排水バルブを正常に作動させることができる気液分離器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、この発明は、燃料電池システムにおける電池スタックの水素排出部に接続されるインレットと、同じく電池スタックの水素導入部に接続されるアウトレットと、前記インレットとアウトレットとの間に位置する生成水分離部と、その生成水分離部の下方に位置し、生成水を排出するための排水口と、その排水口を開閉するための排水バルブとを有する気液分離器において、前記排水バルブより低い位置に前記排水口に連なる貯水部を設けるとともに、その貯水部に貯留された生成水を排出するための排出手段を設けたことを特徴としている。
【０００７】
従って、燃料電池システムの停止状態で、ケースの内壁面やイオン交換樹脂から滴下した生成水は、排水バルブより低い位置の貯水部内に貯留され、生成水が排水バルブ側に侵入するおそれはない。よって、燃料電池システムの停止状態において、凍結した生成水により排水バルブが作動不良になることを防止することができて、燃料電池システムの始動時に、排水バルブを支障なく開閉動作させることができる。ところで、この発明において、前記貯水部は、燃料電池システムの停止中に、気液分離器のケースの内壁面及びイオン交換樹脂から滴下する生成水を収容可能な貯水容量を有するように形成される。そして、この貯水部を排水バルブより低い位置に設けるということは、前記のように滴下された生成水の想定最大水量が貯水部に貯留された状態において、その水位が前記排水バルブの下方に位置するように、貯水部の容量が設定されていることを意味する。
また、この発明は、前記貯水部内に、前記インレットからの水素の噴出圧力により貯水部の内底面から引き上げられて、貯水部内の生成水を前記排水口に向かって送り込むシートを設けたことを特徴としている。このように構成すれば、シートにより貯水部内の生成水を排水バルブに向かって積極的に送り込んで、貯水部を空にすることができる。
【０００８】
前記の構成において、前記排出手段を、貯水部の上部を覆う覆い部を設けることにより前記貯水部の上部に設けられ、前記インレット側の位置から排水口に連なる気体通路とするとよい。このように構成すると、ケース内に供給された水素が気体通路内に導入され、その水素が気体通路内を高速で流れる。よって、水素流の勢いにより、貯水部内の生成水をより短時間で一気に排出させることができる。
【０００９】
前記の構成において、前記排出手段を、貯水部の内底面に形成され、前記インレット側の位置から排水口に向かって上昇傾斜する上昇傾斜面とするとよい。このように構成した場合には、排水バルブが開放されるとともに、ケース内に水素が供給されると、その水素の勢いにより、貯水部内の生成水が上昇傾斜面に沿って排水バルブ側に円滑に移動される。よって、貯水部内の生成水を排水バルブから外部へ排出して、貯水部を空にすることができる。
【００１０】
前記の構成において、前記排出手段を、貯水部の内底面に形成され、前記インレット側の位置から上昇傾斜面に向かって下降傾斜する下降傾斜面とするとよい。このように構成した場合には、インレットからケース内に供給される気体が下降傾斜面に沿って、貯水部内の生成水上に指向される。よって、貯水部内の生成水を排水バルブから効果的に排出させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、この発明によれば、低温環境下における燃料電池システムの停止状態において、ケースの内壁面やイオン交換樹脂から滴下した生成水が凍結しても、排水バルブを正常に作動させることができるという効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（第１実施形態）
以下に、この発明を具体化した第１実施形態を、図１及び図２に基づいて説明する。
はじめに、燃料電池システムの概略を図１に基づいて説明する。単セル（図示しない）を複数備え、電池反応動作が行われる電池スタック１には酸化ガスとしての空気を供給する空気供給通路５が接続されるとともに、電池スタック１からの空気及び生成水が排出される空気排出通路６が接続されている。また、電池スタック１の水素排出部（図示しない）及び水素導入部（図示しない）には、水素循環系８を構成する循環経路８ａの一方の端部及び他方の端部がそれぞれ接続されている。
【００１５】
前記循環経路８ａは、電池スタック１から排出された未反応の余剰の水素（ガス）と生成水のうち、水素を循環させて、新たな水素と共に再び電池スタック１内に供給し、生成水を外部に排出するためのものである。この水素循環経路８ａには、循環ポンプ３と、後で詳述する気液分離器１０と、水素タンク２と、圧力調整バルブ４とが接続されている。循環ポンプ３は、循環経路８ａの流体に対して循環駆動力を付与する。気液分離器１０は、循環経路８ａを介して前記電池スタック１から導入される水素と生成水とを分離する。水素タンク２は電池スタックに新たな水素を供給する。圧力調整バルブ４は、水素タンク２から電池スタックに供給される水素の圧力を調整する。
【００１６】
そこで、前記気液分離器１０の詳細について説明する。図２に示すように、気液分離器１０のケース１１は、上面を開口した有底状の下部ケース１２と、下面を開口した有蓋状の上部ケース１３とから構成されている。下部ケース１２の周壁には、前記電池スタック１から排出される水素と生成水とを有する気液混合気をケース１１内に導入するためのインレット１４が形成されている。インレット１４の内側開口には、ケース１１内に導入される水素及び生成水から異物を除去するための織布あるいは不織布よりなるフィルタ１５が装着されている。
【００１７】
前記ケース１１内において、下部ケース１２と上部ケース１３との間には、インレット１４から供給された気液混合気を水素と生成水とを分離するための生成水分離部としてのイオン交換樹脂１６が設けられている。インレット１４の反対側に位置するように、下部ケース１２の周壁下部には、分離された生成水をほぼ水平方向の外部に排出するための排水口１７が形成されている。排水口１７には、電磁バルブよりなる排水バルブ１８が設けられている。この排水バルブ１８は、図示しない制御回路の制御に従って開閉動作される。
【００１８】
前記イオン交換樹脂１６を挟んで反対側に位置するように、上部ケース１３の上壁には、分離された水素を排出して電池スタック１に供給させるためのアウトレット１９が形成されている。
【００１９】
前記下部ケース１２の底部の排水バルブ１８より低い位置には貯水部２０が形成されている。この貯水部２０は、燃料電池システムの停止中に、ケース１１の内壁面及びイオン交換樹脂１６から滴下する生成水を収容可能な貯水容量を有するように形成されている。そして、このようにして滴下した生成水の想定最大水量が貯水部２０に貯留された状態において、その水位が前記排水バルブ１８の下方に位置するように、貯水部２０の容量が設定されている。
【００２０】
前記貯水部２０の排水バルブ１８側の内底面には、インレット１４側の位置から排水バルブ１８に向かって上昇傾斜する上昇傾斜面２０ａが形成されている。貯水部２０のインレット１４側の内底面には、インレット１４側の位置から上昇傾斜面に２０ａ向かって下降傾斜する下降傾斜面２０ｂが形成されている。前記上昇傾斜面２０ａの水平面に対する傾斜角度α１は、下降傾斜面２０ｂの水平面に対する傾斜角度α２よりも小さくなるように形成されている。この実施形態では、上昇傾斜面２０ａの傾斜角度α１が約２０度、下降傾斜面２０ｂの傾斜角度α２が約３０度となるように設定されている。前記気体通路２２，上昇傾斜面２０ａ及び下降傾斜面２０ｂは排出手段を構成している。
【００２１】
前記下部ケース１２の内側面には、貯水部２０の上部を覆う覆い部２１が形成されている。貯水部２０の上部には前記覆い部２１により、インレット１４側に開口部２２ａを有するとともに、排水バルブ１８に接続される気体通路２２が形成されている。そして、排水バルブ１８が開放されるとともに、インレット１４からケース１１内に水素が供給されたときには、その水素が前記開口部２２ａから気体通路２２内に流入されるようになっている。
【００２２】
次に、前記のように構成された気液分離器１０の作用を説明する。
さて、この気液分離器１０を備えた燃料電池システムの動作時には、ポンプ３の駆動に従い、電池スタック１から排出される未反応の水素と生成水とがインレット１４から気液分離器１０のケース１１内に供給される。そして、ケース１１内においてイオン交換樹脂１６により水素と生成水とが分離され、水素がアウトレット１９から循環経路８ａに送出され、電池スタック１に供給されて再利用される。
【００２３】
一方、分離された生成水は、イオン交換樹脂１６から滴下して、開口部２２ａを経て下部ケース１２の底部の貯水部２０内に貯留される。そして、燃料電池システムの動作時には、排水バルブ１８が所定時間おきに開放される。この燃料電池システムの動作時には、気液分離器１０を含む循環経路８ａ内が前記循環ポンプ３の駆動により高圧に維持される。従って、排水バルブ１８が開放されると、水素がインレット１４から勢いよく噴出され、開口部２２ａから気体通路２２内に流入して、その気体通路２２内を高速で流れる。そして、この水素流の勢いにより、貯水部２０内の生成水が貯水部２０から排水バルブ１８側に吹き寄せられるようにして移動される。さらに、このとき、水素流により貯水部２０内の水面が波立ったり、図２に２点鎖線で示すように、水位が盛り上がったりすることにより、気体通路２２の開口断面積が小さくなって、水素流の速度がさらに高くなる。そして、この状態で、水素流が生成水を押し流しながら貯水部２０の下降傾斜面２０ｂから上昇傾斜面２０ａ上を高速で流れる。
【００２４】
このため、貯水部２０内の生成水のほとんど全部が排水口１７から排水バルブ１８を経て外部に短時間で一気に排出される。そして、排水バルブ１８は生成水が排出されたタイミングで閉鎖される。従って、排水バルブ１８の開放時間は生成水の排出に要する時間、つまり短時間である。なお、前記アウトレット１９の下流側には循環ポンプ３が接続されているため、循環ポンプ３の下流側からの水素の逆流は阻止される。このため、排水バルブ１８の開放時にアウトレット１９からケース１１内に水素が噴出されることはほとんどない。
【００２５】
その後、燃料電池システムの作動が停止される場合には、その停止時に排水バルブ１８が前記と同様に一時的に短時間だけ開放される。なお、排水バルブ１８の開放タイミングは、燃料電池システムの停止直前、停止と同時、あるいは停止直後のいずれでもよい。この排水バルブ１８の開放により、前記と同様に、水素がインレット１４から開口部２２ａを経て気体通路２２内に流入して高速で移動し、貯水部２０内の生成水が  短時間で一気に排出される。
【００２６】
なお、インレット１４にはフィルタ１５が設けられているため、水素及び生成水に含まれる異物がフィルタ１５により除去される。従って、イオン交換樹脂１６に異物が詰まって、気液分離効率が低下することを防止することができる。また、貯水部２０の生成水への異物の混入が防止されるため、排水バルブ１８等に異物が詰まることを防止することができる。
【００２７】
以上のように、燃料電池システムの停止時に貯水部２０内の生成水が排出されて、貯水部２０が空になる。従って、燃料電池システムが停止された後に、ケース１１の内壁面やイオン交換樹脂１６から生成水が滴下しても、その生成水は貯水部２０内に貯留され、排水バルブ１８側に侵入するおそれはない。
【００２８】
従って、この第１実施形態においては、以下の効果がある。
（１）  燃料電池システムの停止状態において、貯水部２０内の生成水が凍結したとしても、排水バルブ１８が開閉動作不能に陥るおそれを防止することができる。従って、燃料電池システムが再起動された場合、排水不良に陥るおそれを防止できる。また、排水バルブ１８が凍結で破損することを防止できる。
【００２９】
（２）  排水バルブ１８の凍結を防止するための構成として、ケース１１の内部に貯水部２０や気体通路２２を形成しただけであるので、専用部品，例えば滴下される生成水を吸引するための吸引ポンプ等は設けられておらず、構成が簡単である。
【００３０】
（３）  貯水部２０がインレット１４側の下降傾斜面２０ｂと排水口１７側の上昇傾斜面２０ａとにより構成されている。従って、水素流により、貯水部２０内の生成水が適切に押し流されて、排出される。しかも、上昇傾斜面２０ａの水平面に対する傾斜角度α１は、下降傾斜面２０ｂの水平面に対する傾斜角度α２よりも小さくなるように形成されている。従って、貯水部２０内の生成水は、水素流によって排水口１７に向かって円滑に押し流される。
【００３１】
（第２実施形態）
次に、この発明の第２実施形態を説明する。なお、この第２実施形態以降の実施形態や変更例においては、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３２】
この第２実施形態においては、図３及び図４に示すように、貯水部２０の底部に送り込み手段としての送り込み機構２５が設けられている。すなわち、貯水部２０の内底面には、非透水性のシート２６が敷設されている。下部ケース１２内においてフィルタ１５からエア流の下流側には、非通気性の受圧リボン２７が支持枠２８及び複数のガイドローラ２９ａ〜２９ｃを介して支持され、その受圧リボン２７の端部が前記シート２６に一体に連結されている。
【００３３】
そして、排水バルブ１８の閉鎖時，つまりインレット１４から水素が勢いよく噴出されない場合には、図３に示すように、シート２６が自重により貯水部２０の内底面に沿って敷設状態で配置される。このため、イオン交換樹脂１６やケース１１の内壁面から滴下する生成水が貯水部２０内のシート２６上に貯留される。それに対して、排水バルブ１８が開放され、インレット１４から水素が噴出された場合には、図４に示すように、そのインレット１４からの水素の噴出圧力を受けて、受圧リボン２７がケース１１の内方に向かって膨らむように湾曲される。この湾曲により、シート２６がインレット１４側に引っ張られて緊張状態になる。このため、シート２６が貯水部２０の底面から引き上げられ、そのシート２６上の生成水に対して排水バルブ１８側への送り込み力が作用する。
【００３４】
よって、前記第１実施形態の場合と同様に、開口部２２ａから気体通路２２内に流入した水素流の勢いにより、貯水部２０のシート２６上の生成水に排水バルブ１８側への移動力が付与されると同時に、シート２６の緊張によりその生成水に排水バルブ１８側への送り込み力が付与される。
【００３５】
従って、この第２実施形態においては、前記第１実施形態の（１）及び（３）に記載の効果に加えて以下の効果がある。
（４）  貯水部２０内の生成水をシート２６により排水バルブ１８に向かって積極的に送り込んで、その貯水部２０をいっそう確実に空にすることができ、燃料電池システムの停止後に滴下される生成水を排水バルブ１８の部分に向かってオーバーフローすることなく貯水部２０に貯留することができる。
【００３６】
（第３実施形態）
次に、この発明の第３実施形態を説明する。
この第３実施形態においては、図５に示すように、貯水部２０の底部に水抜き部としての水抜き口３１が形成されている。水抜き口３１には、電磁バルブよりなる水抜きバルブ３２が設けられている。そして、燃料電池システムの停止時に、水抜きバルブ３２が開放されることにより、貯水部２０内の生成水が水抜き口３１から外部に排出されて、貯水部２０が空の状態にされる。
【００３７】
従って、この第３実施形態においても、前記第１実施形態の（１）及び（３）に記載の効果と同様な効果を得ることができる。
さらに、この第３実施形態においては以下の効果を得ることができる。
【００３８】
（５）  貯水部２０内の生成水が下方に向かって排出されるため、貯水部２０内をいっそう確実に空にすることができる。
（変更例）
この発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、以下のように変更することができる。
【００３９】
・  図６に示すように、気体通路２２の開口部２２ａを広くするとともに、その気体通路２２を排水口１７に向かって次第に狭くすること。このように構成すれば、気体通路２２内に大量の水素が導入されるとともに、気体通路２２内の水素の流速を排水口１７側に至るほど高くすることができ、貯水部２０内の生成水をきわめて効果的に排出することができる。
【００４０】
・  図７に示すように、インレット１４と対向するように、ケース１１の左右の側壁間に案内壁３３を架設すること。この案内壁３３は噴出された水素を気体通路２２の開口部２２ａに導くものである。従って、気体通路２２内を大量の水素が流通され、生成水の排出を有効に行うことができる。
【００４１】
・  図８に示すように、気液分離器１０のケース１１の底壁を緩やかな円弧状に形成すること。このようにすれば、貯水部２０内に大量の生成水を貯留できる。
・  アウトレット１９と循環ポンプ３との間に、循環ポンプ３側からアウトレット１９側への水素の逆流を防ぐチェックバルブを設けること。このようにすれば、アウトレット１９からケース１１内への水素の供給をほとんど確実に防止でき、インレット１４からの水素を高い圧力で噴出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】燃料電池システムを示す簡略図。
【図２】第１実施形態の気液分離器を示す断面図。
【図３】第２実施形態の気液分離器を示す断面図。
【図４】図３の気液分離器の動作状態を示す断面図。
【図５】第３実施形態の気液分離器を示す断面図。
【図６】変更例を示す気液分離器を示す断面図。
【図７】別の変更例を示す気液分離器を示す断面図。
【図８】さらに別の変更例を示す気液分離器を示す断面図。
【図９】従来技術を示す断面図。
【符号の説明】
【００４３】
１…電池スタック、１０…気液分離器１０…ケース、１２…下部ケース、１３…上部ケース、１４…インレット、１６…イオン交換樹脂、１７…排水口、１８…排水バルブ、１９…アウトレット、２０…貯水部、２０ａ…上昇傾斜面、２０ａ…下降傾斜面、２１…覆い部、２２…気体通路、２２ａ…開口部、２５…送り込み手段としての送り込み機構、２６…シート、２７…受圧リボン、３１…水抜き部としての水抜き口、３２…水抜きバルブ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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